Die Verwendung von E10 in Oldtimern

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1 Die Verwendung von E10 in Oldtimern Im zum Bersten gefüllten Vortragssaal 1 der WKO in Wien, fand am 18. April eine Veranstaltung für Kammermitglieder und Konsumenten unter dem Titel E 10 - Risiko für Oldtimer? statt. Der Oldtimer-Papst KR Franz Steinbacher, der auch brillant moderierte, hatte sich Mühe gemacht wirklich berufene Vortragende zu finden: Prof.DI Dr. Jürgen Stockmar (TU-Wien) erläuterte aktuelle Probleme der Oldtimerhalter, der Fachmann DI Christoph Denk (TU- Wien) ging mit seiner Studie genau auf das Thema ein. Das rege Interesse an den Änderungen im Kraftstoff für Automobile, das uns bevorsteht, spiegelte sich im unglaublich starken Besuch und bei der regen anschließenden Publikumsdiskussion wieder. Es zeigte sich wieder einmal, dass das Sammeln und Betreiben von historischen Kraftfahrzeugen ein nicht mehr wegzudenkender, wichtiger Teil des Arbeitsaufkommen im Kfz- Gewerbe und auch Handel geworden ist. Es war sehr wichtig und von der WKO vorausschauend, die Veranstaltung zu unterstützen um so große Unsicherheit von allen Beteiligten zu nehmen. Wir danken auch dem Österreichischen Wirtschaftsverlag für die logistische Unterstützung und nicht zuletzt für das reichliche, von ihm gesponserte Buffet. Um den regen Anfragen und Bitten entgegen zu kommen, veröffentlichen wir den Vortrag von DI Denk im Original.

2 Vortrag in Wien Die Verwendung von E10 in Oldtimern Dipl. Ing. Christoph Denk

3 Inhalt: 1/2 Einleitung Geschichtlicher Rückblick Zusammensetzung konventioneller Ottokraftstoffe Kraftstoffversorgung in Österreich Kraftstoffnorm EN228 für unverbleite Ottokraftstoffe Warum Ethanol als Treibstoff? Eigenschaften Ethanol Definition Bioethanol Unterschiede zwischen konventionellem Ottokraftstoffe und Ethanol Verdampfungsverhalten Verbrennung Korrosivität, chemisches Verhalten Wien Ch. Denk Folie 2

4 Inhalt: 2/2 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/ Gemischaufbereitung Schmierstoffe Kraftstoffversorgung Tank Zusammenfassung Wien Ch. Denk Folie 3

5 Einleitung Die Verwendung von E10 in Oldtimern sehr kontrovers und emotional geführte Diskussion Gift für Oldtimer völlig problemlos? Versuch einer wissenschaftlichen Betrachtung Wien Ch. Denk Folie 4

6 Geschichtlicher Rückblick Zurück zu den Wurzeln? 1860 Spiritus verwendet von Nikolaus August Otto in den Prototypen seiner Verbrennungsmotoren 1886 Leichtbenzin (Ligroin) Benz Patent-Motorwagen Nummer Benzin verdrängt trotz geringerer Klopffestigkeit Leichtbenzin auf Grund des geringeren Preises 1920 reines Benzol für Sonderanwendungen 1923 diverse Benzol-Benzin-Gemische 1925 die Reichskraftsprit führt Spiritus zur Stützung der Landwirtschaft ein (Monopolin) 1930 Bezugsverordnung von Spiritus zu Treibstoffzwecken (prozentueller Anteil der eingeführten Kraftstoffmenge war von der Reichsmonopolverwaltung zu beziehen) Pause Verwendung von Alkoholen als Treibstoff in Sonderanwendungen (Rennsport..) 2005 Beimischung von Bio-Ethanol zu konventionellen Ottokraftstoffen in geringen Mengen Wien Ch. Denk Folie 5

7 Zusammensetzung konventioneller Ottokraftstoff Rohbenzin Erhöhung der Klopffestigkeit Substitution biogener Kraftstoffe z.b Oxidationsinhibitoren Korrosionsschutzmittel Detergentien Wien Ch. Denk Folie 6

8 Kraftstoffversorgung in Österreich o (Normalbenzin mind. ROZ 91) o Eurosuper mind. ROZ 95 o Premiumsorten mind. ROZ 95 o (Superethanol E85) Kraftstoffnorm für unverbleite Ottokraftstoffe EN Wien Ch. Denk Folie 7

9 Kraftstoffnorm für unverbleite Ottokraftstoffe EN228:2008 maximal zulässiger massebezogener Sauerstoffgehalt maximaler volumenbezogener Anteil entsprechend dem zulässigen Sauerstoffgehalt Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge Unverbleite Ottokraftstoffe Anforderungen und Prüfverfahren; Deutsche Fassung EN 228: Wien Ch. Denk Folie 8

10 Unverbleite Ottokraftstoffe EN228:2009 (Entwurf) maximal zulässiger massebezogener Sauerstoffgehalt maximaler volumenbezogener Anteil entsprechend dem zulässigen Sauerstoffgehalt Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge Unverbleite Ottokraftstoffe Anforderungen und Prüfverfahren; Deutsche Fassung EN 228: Wien Ch. Denk Folie 9

11 Kraftstoffnorm für unverbleite Ottokraftstoffe EN228:2008 Premiumkraftstoffsorten sind keine Garantie für Ethanolfreiheit Wien Ch. Denk Folie 10

12 Warum Ethanol als Treibstoff? In Anbetracht der Standpunkte des Europäischen Parlaments, des Rates und der Kommission ist es angebracht, verbindliche nationale Ziele festzulegen, die damit im Einklang stehen, dass der Anteil von Energie aus erneuerbaren Quellen am Energieverbrauch der Gemeinschaft im Jahr 2020 zu 20 % und im Verkehrssektor am Energieverbrauch der Gemeinschaft zu 10 % durch Energie aus erneuerbaren Quellen gedeckt wird. RICHTLINIE 2009/28/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 23. April Wien Ch. Denk Folie 11

13 Warum Ethanol als Treibstoff? well to wheel Minderung der CO2-Emissionen um etwa 50% Impact of the Ethanol Fuel Content on Operation Parameters of Passenger Car Gasoline Engines Dipl.-Ing. Rolf Weinowski, Dipl.-Ing. Andreas Sehr, Dipl.-Ing. Oliver Rütten FEV Motorentechnik GmbH, Aachen Wien Ch. Denk Folie 12

14 Warum Ethanol als Treibstoff? Vorteile von Ethanol in der ottomotorischen Verbrennung: deutlich höhere Klopffestigkeit (ROZ) verringerte Rohemissionen (HC, CO, NO x ) Wirkungsgradvorteile in der Verbrennung Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern Wien Ch. Denk Folie 13

15 Ethanol (Ethylalkohol) Eigenschaften Ethanol Name Strukturformel Kurzbeschreibung Ethanol (20 C) C 2 H 6 O klare, farblose, würzig riechende und brennend schmeckende, leichtentzündliche, hygroskopische Flüssigkeit Molmasse Aggregatzustand 46,07 g/mol flüssig C 2 H 6 O Dichte 0,79 g/cm 3 ph-wert 7,0 Zündtemperatur 400 C Schmelzpunkt Siedepunkt Dampfdruck Löslichkeit GESTIS-Stoffdatenbank -114 C 78,3 C 58hPa beliebig mit Wasser, Diethylether, Chloroform, Benzin und Benzol mischbar Wien Ch. Denk Folie 14

16 Definition Bioethanol Als Bioethanol bezeichnet man Ethanol, das ausschließlich aus Biomasse oder den biologisch abbaubaren Anteilen von Abfällen hergestellt wurde und für die Verwendung als Biokraftstoff bestimmt ist. Richtlinie 2003/30/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 8. Mai 2003 zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor Center for Environment, Commerce & Energy Wien Ch. Denk Folie 15

17 Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Ethanol (C 2 H 6 O) Verdampfungsverhalten Verbrennung hygroskopisches Verhalten Korrosivität, chemische Beständigkeit Siedetemperatur Heizwert metallische Werkstoffe nichtmetallische Werkstoffe Verdampfungsenthalpie Sauerstoffgehalt Dampfdruck Wien Ch. Denk Folie 16

18 Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Ethanol (C 2 H 6 O) Verdampfungsverhalten Verbrennung hygroskopisches Verhalten Korrosivität, chemische Beständigkeit Siedetemperatur Ölverdünnung Verdampfungsenthalpie höhere Verdichtungen Gemisch wird frühere Zündwinkel Wärme entzogen geringerer Anfettungsbedarf Kaltstartverhalten: bei Kraftstoffen mit bis zu 10% Ethanolanteil unproblematisch Dampfdruck Wien Ch. Denk Folie 17

19 Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Ethanol (C 2 H 6 O) Verdampfungsverhalten Verbrennung hygroskopisches Verhalten Korrosivität, chemische Beständigkeit Heizwert Mehrverbrauch Sauerstoffgehalt Abmagerung des Gemisches bei E10 mit Ausnahme von sehr grenzwertig abgestimmten Fahrzeugen unproblematisch -> Verdampfungsenthalpie bannt Klopfgefahr Wien Ch. Denk Folie 18

20 Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Beispiel E10: L L L L ST, E 0 ST ST, E100 L L 14,3 ST 8,9 ml L m ST B Verbrennungskraftmaschinen Grundzüge, Auflage SS 2006, Prof. Dr. B. GERINGER Die Luftzahl λ erhöht sich bei Verwendung von E10 gegenüber ethanolfreiem Kraftstoff um den Faktor 1,039 Fahrzeuge mit Lambdaregelung regeln diesen Faktor nach Wien Ch. Denk Folie 19

21 Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Ethanol (C 2 H 6 O) Verdampfungsverhalten Verbrennung hygroskopisches Verhalten Korrosivität, chemisches Verhalten metallische Werkstoffe nichtmetallische Werkstoffe Wien Ch. Denk Folie 20

22 Betrachtung Gesamtfahrzeug Gemischaufbereitung Tank Kraftstoffpumpe Kraftstofffilter Leitungssystem Beständigkeit gegen Motor Ottokraftstoff Ethanol Wasser Ottokraftstoff Ethanol Wasser Wien Ch. Denk Folie 21 Ottokraftstoff Ethanol Wasser Wasserdampf

23 Betrachtung Gesamtfahrzeug Gemischaufbereitung Tank Kraftstoffpumpe Kraftstofffilter Leitungssystem Motor chemische und physikalische Beständigkeit der Bauteile abhängig von: Druck Temperatur Konzentration Benetzungsdauer Wien Ch. Denk Folie 22

24 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Gemischaufbereitung Tank Kraftstoffpumpe Kraftstofffilter Leitungssystem Motor Wien Ch. Denk Folie 23

25 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Metalle Redoxreihe der Metalle (Auswahl) Problematik: in technischen Anwendungen finden kaum Reinstoffe Anwendung meist Legierungen mit stark abweichenden Eigenschaften Bsp.: Stahl rostfreier Stahl Aluminium Zink Chrom Nickel Kupfer Magnesium Eisen Chrom Blei Definition: Unedle Metalle sind Metalle, die bei Normalbedingungen mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren, sie oxidieren. Definition: Unter Passivierung versteht man in der Oberflächentechnik die spontane Entstehung oder gezielte Erzeugung einer nichtmetallischen Schutzschicht auf einem metallischen Werkstoff, welche die Korrosion des Grundwerkstoffes verhindert oder stark verlangsamt. Beispiele: Chrom, Aluminium, Nickel, Blei, Zink und Silicium Wien Ch. Denk Folie 24

26 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Metalle o Aluminium o Zink o Messing o Blei o Bronze o Magnesium als Reinstoffe kritisch zu beurteilen Vorgänge laufen jedoch bei E10 sehr langsam ab! Sonderstellung: mechanische Einspritzanlagen (Druckverhältnisse) Wien Ch. Denk Folie 25

27 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Dichtungen, sonstige Kunststoffteile aktuell verwendete Dichtungsmaterialien: Radialwellendichtringe, O-Ringe Ethanol (Ethylalkohol) Wasser Wasserdampf NBR Acrylnitril-Butadien-Kautschuk X-NBR Carboxylierter Nitril-Kautschuk H-NBR Hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk FBM Fluor-Kautschuk MVQ Silikon-Kautschuk ACM Acrylat-Kautschuk keine Angabe 1.. ausgezeichnete Beständigkeit 2.. gute Beständigkeit 3.. mittlere Beständigkeit 4.. schlechte Beständigkeit Wasser dampft aus dem Motoröl aus und gelangt über das Blow-by in den Zylinderkopf Beaufschlagung von Bauteilen mit Wasserdampf Wien Ch. Denk Folie 27

28 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Dichtungen, sonstige Kunststoffteile Bio ethanol blends characteristics of fuels blended with sustainable and powerful bio ethanol; Dr. Boris Hinz, CropEnergies AG, Mannheim historische Entwicklung der Dichtungsmaterialien: schlechte Beständigkeit gegenüber Wasserdampf 3 1 KUNSTSTOFFE Thermoplaste HDPE Polyethylen hoher Dichte 1 LDPE Polyethylen niedriger Dichte 3 PA Polyamid (Nylon) 3 PC Polycarbonat 3 PETG Polyethylenterephthalatglycol 1 PMP Polymethylpenten 2 POM Polyoxylmethylen 2 PP Polypropylen 1 PS Polystyrol 4 PSU Polysulfon 2 PVC Polycinylchlorid 3 SAN Styrol-Acrylnitril 0 Fluorkunststoffe ECTFE/ ETFE Ethylen-Chlortriflourethylen 3 FEP Tetraflourethylen-Perflourpropylen 1 PTFE Polytetraflourethylen 1 PVDF Polyvinylidenflourid 1 Elastomere EPDM Ethylen-Propylen-Terpolymer-Kautschuk 1 FPM Fluor-Polymer 0 NBR Nitril-Kautschuk 3 SI Silikonkautschuk 3 PU Polyurethan Wien Ch. Denk Folie 28

29 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Dichtungen, sonstige Kunststoffteile o Nylon o Polyester o unlegierte Elastomere ( Gummi ) o Epoxy-Harze Problematisch insbesonders Fahrzeuge bis 1955 betroffen o Leder o Kork o Naturkautschuk Ausschlußkriterium Bio ethanol blends characteristics of fuels blended with sustainable and powerful bioethanol; Dr. Boris Hinz, CropEnergies AG, Mannheim Wien Ch. Denk Folie 29

30 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Quellen bzw. Auflösen Bauteilversagen Chemische Beständigkeit: Diffusion Verschlechterung der Gebrauchseigenschaften Mechanismen Wien Ch. Denk Folie 30

31 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Schadensbilder O-Ringe Quellen Rissbildung Ablösung Versprödung Wien Ch. Denk Folie 31

32 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung Fazit: o o o o pauschale Aussagen zur Beständigkeit schwierig, da kaum unlegierte Metalle und Kunststoffe in technischen Anwendungen verwendet werden Analyse jedes einzelnen mit Kraftstoff in Verbindung stehenden Bauteiles wäre notwendig praktisch unmöglich Korrosionsvorgänge mit Metallen laufen bei niedrigen Ethanolgehalten sehr langsam ab kritisch einzuschätzen wenn Materialien wie Naturkautschuk, Kork und Leder mit ethanolhaltigen Kraftstoffen in Verbindung stehen mechanische Einspritzanlagen sind auf Grund ungünstiger Druckverhältnisse problematisch o Problematik Wasserdampf ist nicht zu unterschätzen Wien Ch. Denk Folie 32

33 Betrachtung Gesamtfahrzeug Schmierstoffe Schmierstoffe Siedetemperatur von Ethanol 78,3 C Siedetemperatur von Wasser 100 C erhöhter Anteil von Ethanol und Wasser im Motoröl unerwünschte Reaktionen mit Motorölkomponenten (Polymerisation ) Verdünnung des Schmierstoffes überdurchschnittliche Ölalterung Abnahme von Viskosität, Scherstabilität.. teilweiser Verlust der Motoröleigenschaften o Ölwechselintervalle verkürzen Fazit: o Fahrzeug regelmäßig warmfahren (Öltemperatur über 100 C) o Kurzstrecken möglichst vermeiden o wenn verfügbar Syntheseöle verwenden o unbedingt Ölwechsel vor längeren Standzeiten ( Einwintern ) Wien Ch. Denk Folie 33

34 Betrachtung Gesamtfahrzeug Schmierstoffe Additive moderner Motoröle: TYP SUBSTANZEN FUNKTION Basische Detergents Calzium-/Barium-/Magnesium- Neutralisation von Säuren; Sulfonate; Phenolate; Salicylate Verhinderung von Lackbildung Aschefreie Polyisobuten/ Dispergieren von Ruß; Dispersants Succinimide Verhinderung von Ablagerungen Antioxidantien Zinkdithiophosphate; Verhindert Öleindickung und gehinderte Phenole; Metallsalicylate Öloxidation Hochdruck (EP) Additive Zinkdithiophosphate; org. Phosphate; org. Schwefelverbindungen Verhindert Verschleiß an hochbelasteten Bauteilen von besonderer Bedeutung im Betrieb mit alkoholhaltigen Kraftstoffen Korrossionsschutz- Calzium-/Natrium- Verhindert Verhindert Korrosion additive Korrosion/Barium-Sulfonate; org. Amine VI-Verbesserer Polyisobuten Dispergieren von Ruß; Succinimide Verhinderung von Ablagerungen Stockpunktverbesserer Polymethacrylate Bessere Fließeigenschaften bei Tieftemperatur Schaumdämpfer Silikonverbindungen Verhindert Schaumbildung Friction-Modifier Fettsäuren; Fettsäure- derivate; org. Amine; Amin-Phosphate Reduzierung Reibungsverluste abgestimmte Motoröle verwenden Dipl.-Ing. Ulrich F. Grütering, Dipl.-Ing. Yves Rosefort, Dipl.-chem. Peter Mauermann, Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger Bilanzierung von Motorölkomponenten bei einem PKW-Dieselmotor mit Abgasnachbehandlungssystem Wien Ch. Denk Folie 34

35 Betrachtung Gesamtfahrzeug Kraftstoffversorgung Gemischaufbereitung Tank Kraftstoffpumpe Kraftstofffilter Leitungssystem Motor Wien Ch. Denk Folie 35

36 Betrachtung Gesamtfahrzeug Kraftstoffversorgung Kraftstoffpumpe Kraftstofffilter von verringerter Lebensdauer auszugehen Leitungssystem Kraftstoffleitungen Ethanol (Ethylalkohol) Wasser SBR Styrol-Butadien-Kautschuk EPDM Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk 1 1 NBR Acrylnitril-Butadien-Kautschuk NBR/PVC - 1 PUR Polyurethan (Ether-Polyurethan) 2 1 PVC Polyvinylchlorid keine Angabe 1.. ausgezeichnete Beständigkeit 2.. gute Beständigkeit 3.. mittlere Beständigkeit 4.. schlechte Beständigkeit Fazit: o beim Tausch wenn möglich auf alkoholbeständige Teile zurückgreifen Wien Ch. Denk Folie 36

37 Betrachtung Gesamtfahrzeug Tank Gemischaufbereitung Tank Kraftstoffpumpe Kraftstofffilter Leitungssystem Motor Wien Ch. Denk Folie 37

38 Betrachtung Gesamtfahrzeug Tank Tank Stahlblechtank Problematik durch im Kraftstoff gebundenes Wasser (Kunststofftank meist HDPE (Polyethylen hoher Dichte) unkritisch) weitere Problematik: Ethanol wirkt als Lösungsmittel Ablagerungen werden angelöst Gefahr von verlegten Benzinfiltern, Vergaserdüsen.. Fazit: o zusätzlichen leicht zu tauschenden Kraftstofffilter vorsehen o eventuelle Additivierung des Kraftstoffes vor längeren Standzeiten (Oxidationsstabilisatoren, Korrosionsschutz ) o bei längeren Standzeiten Tank vollständig füllen (Blechtank) Wien Ch. Denk Folie 38

39 Zusammenfassung nach der aktuellen Kraftstoffnorm EN228 dürfen Ottokraftstoffe bis zu 5% Ethanol enthalten bei Ethanolgehalten von bis zu 10% sind im allgemeinen keine Anpassungen von gemischbildenden Organen notwendig Korossionsvorgänge bei sehr geringen Ethanolanteilen laufen sehr langsam ab Einsatz von ethanolhaltigen (E10) Kraftstoffen für Fahrzeuge bis Baujahr 1955 auf Grund der verwendeten Materialien nicht zu empfehlen grundlegende Aussagen zur Beständigkeit einzelner mit Kraftstoff in Verbindung stehender Komponenten schwierig da kaum unlegierte Metalle und Kunststoffe verwendet werden/ wurden Die Wartung sowie die Auswahl der verwendeten Betriebsstoffe sollte an die geänderten Erfordernisse angepasst werden Besondere Vorsicht bei Konservierung von Fahrzeugen über längere Perioden Empfehlung: so lange möglich niedrig substituierten Kraftstoff verwenden (mögliche Kosten bei auftretenden Defekten stehen in keinem Verhältnis zu den Mehrkosten des Kraftstoffes bei den für Oldtimern üblichen jährlichen Kilometerleistungen) Wien Ch. Denk Folie 39

40 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl. Ing. Christoph Denk

41 Diese Datei stellt die ÖGHK und AMV kostenfrei zur verfügung. Es ist nicht erlaubt Texte, Tabellen und Grafiken zu entnehmen um weiter zu verarbeiten. Dipl. Ing. Christoph Denk 2012